New Optical Sensing for the Detection of Toxic Cations : Cesium, Uranyl and Arsenic

• Main Author: Pham, Xuan Qui
• Other Authors: Université Paris-Saclay (ComUE)
• Language: en
• Published: 2018
• Subjects: Metaux toxiques; Capteurs fluorescents; Microfluidique; Cesium; Arsenic; Toxic metals; Fluorescent sensors; Microfluidic; Uranyl
• Online Access: http://www.theses.fr/2018SACLN005

Ce travail concerne la synthèse, les études des propriétés photophysiques et de complexation des molécules fluorescentes pour la détection sélective de cations toxiques tels que le césium, l'uranyle et l'arsenic. Tout d'abord, deux nouveaux capteurs fluorescents pour le césium, Calix-COU-P et Calix-COU-Benz-CN, comportant le Calix[4]arène-couronne-6 et le fluorophore coumarine ont été synthétisés avec succès. En ce qui concerne le Calix-COU-P, une forte exaltation de fluorescence et un déplacement bathochrome d'absorption ont été observés en présence de césium dans l'eau. Une très bonne limite de détection (0,77 μM) ainsi qu'une excellente sélectivité vis-à-vis du césium ont été observées, démontrant que Calix-COU-P pourrait être un capteur exceptionnel pour la détection de césium dans l'eau. Calix-COU-Benz-CN possède quant à lui des propriétés photophysiques prometteuses dans un milieu partiellement aqueux avec des bandes d'absorption et de fluorescence intenses en visible grâce à la présence des groupements benzothiazole et cyano. L'addition de césium conduit aux déplacements ver le bleu des spectres d'absorption et une augmentation de l'intensité de fluorescence. L'étude de la cinétique de complexation entre Calix-COU-Benz-CN et Cs+ par la technique « stopped-flow » a montré une cinétique rapide à faibles concentrations de cations et une cinétique plus longue à des concentrations élevées (> 10 mM). Calix-COU-Benz-CN a ensuite été incorporé dans un dispositif microfluidique. Une courbe d'étalonnage qui représente l'intensité de fluorescence en fonction de la concentration du césium montre une valeur de limite de détection de l’ordre de 2,0 μM. Deux composés analogues contenant la même entité complexante Calix[4]arène-couronne-6 ont été également synthétisés et greffés sur des nanoparticules magnétiques afin d’obtenir un matériau fonctionnalisé pour la décontamination de l’eau contenant le césium radioactif. L'étude préliminaire montre que les nanoparticules fonctionnalisées pourraient capter efficacement une quantité très faible du césium dans l’eau contaminée. Par la suite, en vue de développer des capteurs pour l’uranyle, une série de dérivés de salicylaldéhyde-azine ont été synthétisés et caractérisés. Leurs propriétés d'émission induites par l'agrégation (AIE) ont été étudiées. Dans un mélange eau/acétonitrile, les composés U1 et U2 présentent une forte fluorescence lors de l'agrégation tandis que le composé U3 ne présente pas cet effet AIE dans la même condition. Grâce aux sites de complexation contenant des atomes d’oxygène et d'azote, ces molécules présentent une complexation efficace avec les ions uranyle et induire une extinction de la fluorescence. Dans notre étude, il était intéressant de noter la présence d’uranyle conduit à une destruction de l'agrégation, en particulier pour la molécule U2 dans un mélange eau / acétonitrile 60:40. L’extinction de l’émission a été expliquée par des processus de destruction d'agrégats émissifs lors de la complexation avec le cation. Le mécanisme proposé a été validé par des expériences de diffusion dynamique de la lumière et de microscopie électronique à balayage. Le composé U2 présente une bonne sélectivité vis-à-vis de l'uranyle en présence des lanthanides et des autres cations compétitifs. Le capteur permet la détection de concentrations de l’ordre ppb en uranyle. Enfin, la synthèse et l'étude de nouveaux capteurs pour la détection de l’arsenic ont également été discutées. Une série de capteurs fluorescents portant l’entité complexante cystéine a été synthétisée et leurs propriétés complexantes pour l'arsenic ont été étudiées. De plus, des nanoparticules d'or modifiées par la cystéine, le glutathion et le dithiothréitol ont été synthétisées. La complexation de l'ion arsenic avec ces nanoparticules a été étudiée et discutée. Une perspective sur le développement de nouveaux capteurs pour l’arsenic a été proposée. === This thesis focuses on the synthesis, photophysical and complexation studies of fluorescent molecules for the selective detection of toxic cations such as cesium, uranyl and arsenic. Firstly, two new fluorescent sensors Calix-COU-P and Calix-COU-Benz-CN for cesium cations based on Calix[4]arene-crown-6 and coumarin fluorophore were successfully synthesized. For Calix-COU-P, a remarkable fluorescence enhancement and a red shift in absorption were observed due to the complexation with cesium cation in water. Good detection limits (0.77 µM) together with an excellent selectivity towards cesium were observed, demonstrating that Calix-COU-P could be an outstanding sensor for the detection of cesium cation in water. Calix-COU-Benz-CN possesses exceptional photophysical properties in an organoaqueous solution with intense visible absorption and emission bands thanks to benzothiazole and cyano groups. The addition of cesium cation to Calix-COU-Benz-CN offered noticeable blue shifts of the absorption spectra and considerably enhanced the emission intensity. The kinetic study of the complexation between Calix-COU-Benz-CN and Cs+ by stopped-flow experiments showed a rapid kinetic at small concentrations of cations and a lower kinetic at higher concentrations (> 10 mM). Calix-COU-Benz-CN was then incorporated into a microfluidic device. The voltage signals, which are proportional to the fluorescence intensity, were monitored continuously at various cesium concentrations. A calibration curve which represents the fluorescence intensity as a function of cesium cation concentration gives a value of detection limit up to 2.0 µM. This value is only slightly higher than the detection limit obtained by fluorescence titration (1.67 µM), which suggests that the microfluidic device is capable to provide good sensitivity towards targeted ion for real-world applications. Furthermore, two analogous compounds Calix-DOP and Calix-DOP-P containing the same complexing entity were also synthesized and grafted onto magnetic nanoparticles in order to obtain a functionalized material for the decontamination of the water containing radioactive cesium. The preliminary study shows that functionalized nanoparticles could efficiently sequester cesium ions from contaminated water.Afterward, to develop new sensors for the detection of uranyl cations, a series of salicylaldehyde azine derivatives have been synthesized and characterized. Their aggregation induced emission properties were studied. In water/acetonitrile solvent, compounds U1 and U2 exhibited strong fluorescence upon aggregation while compound U3 did not aggregate and stayed in solution as well-dispersed molecules. Owning to oxygen and nitrogen binding sites, the molecules could complex uranyl ions and induced fluorescence quenching. In our study, it was interesting to understand that the effect of uranyl was somewhat more destructive rather than constructive to the aggregation. The most obvious quenching effect was observed for the aggregates of U2 in water/acetonitrile 60:40. The emission quenching was explained by aggregate-breaking processes, that the emitting aggregates could be destroyed by the complexation with uranyl cation. The proposed mechanism was further supported by dynamic light scattering and scanning electron microscope experiments. Compound U2 showed good selectivity towards uranyl over lanthanides and other common cations. The sensor could detect uranyl up to ppb scale.Finally, synthesis and studies of new sensors for the detection of arsenic ion were also discussed. A series of fluorescent sensors bearing cysteine moiety was synthesized and their complexing properties for arsenic were studied. Furthermore, gold nanoparticles which were modified by cysteine, glutathione and dithiothreitol were synthesized. The complexation of arsenic ion with these modified gold nanoparticles was studied and discussed. A perspective for further development of arsenic sensors was proposed.